楊裕生院士：加速鋰硫電池發展的三點建議

　　2016年6月，清華大學舉辦“鋰硫電池研討會”。會議快要結束的時候，針對當時媒體上不斷出現的鋰硫電池技術“突破”“領先”等報道，我以“沉著奮戰鋰硫電池”為題發言。我的發言主要表達了如下觀點：鋰硫電池“進門容易”，但會“越做越難”。鋰硫電池技術存在“五低”：安全性低，體積比能量低，放電倍率低，能量轉換率低，循環次數低。只有基本解決掉“五低”問題后鋰硫電池才能用作車用動力電池，三年五載很難用上，十年八載不算悲觀。

　　國內外許多單位6年來做了大量工作，共同推動了鋰硫電池技術的明顯進展。其中，中國人民解放軍防化研究院從1997年開始研究鋰硫電池，這6年針對“五低”問題的根源進行工作，成效顯著，具有很好的代表性。

　　一、安全性低的主要根源是鋰枝晶。

　　研究了鋰硼合金作為負極，利用纖維狀Li7B6良好的導電性作合金中金屬鋰的載體，增加負極的比表面、降低電流密度，改善鋰表面SEI膜的性能，緩解了金屬鋰易長枝晶、粉化問題，充放電50圈后表面光潔未見枝晶，提高了安全性。

　　據此，組織了國內優勢單位中南大學、廈門大學、蘇州大學、北京化工大學和廣州工業大學系統研究鋰硼合金的作用。中南大學建成了鋰硼合金批量冶煉和軋制裝置，為普遍研究和使用鋰硼合金奠定了基礎。

　　二、放電倍率低主要由于硫既不導電子，又不導鋰離子。6年主要進展是通過摻碳、造孔、包覆并引入催化劑等多重手段，制備出新型碳硫復合正極材料，其含硫量達90wt.%，振實密度為0.5 g/mL，電子電導 0.18 S/cm。材料表現出良好的倍率性能和循環穩定性。

　　三、針對體積比能量低的問題采取的關鍵措施有三：1、提高正極的單位面積載硫量；2、提高硫的有效比容量；3、降低電解液用量。目前可以達到：極片含硫>80%，載硫>5mg/cm2（單面）；材料中硫的比容量>1350mAh/g (0.2C充放) ；電解液與硫的質量比：E/S=3.2。

　　四、能量轉換率低主要由于多硫離子穿梭效應。對此，將酞菁銦引入隔膜涂層中，起到催化多硫離子轉化的作用，制備具有催化作用的功能隔膜，緩解多硫離子穿梭。

　　五、循環次數與提高比能量有矛盾。通過采取多種針對性措施，鋰硫電池在小電流下比能量已達到758Wh/kg的水平，全充放還能循環幾周。在低荷電態下充放電，循環壽命可成數量級延長。

　　但是，全面衡量鋰硫電池現有水平，距離大規模應用還要繼續奮戰三五年。為了加速我國鋰硫電池技術發展，我在此提出三點建議。

　　一、鋰硫電池的發展需要大型企業的主導

　　鋰硫電池的發展已進入“從基礎研究進入工程化”的階段，必須改由實力雄厚的大型企業主導，才能做好以下四件要事：

　　1、用安時級別軟包裝電池代替扣式電池

　　扣式電池可在手套箱中操作，但是鋰硫扣式電池中正極載硫量低而電解液用量高，難以反映材料的真實水平，對于推動實用化作用有限。

　　鋰硫電池的正極高載硫下容量的發揮、電解液的減量、電池一致性等與實用相關的問題，都需要在安時級別軟包裝的平臺上進行研究，這就要企業大量投入建立露點極低的干房。

　　2、利用已有技術，對鋰硫電池作集成開發

　　鋰硫電池的基礎研究已經達到較高的水平，國內外發表了大量的文章和ZL。大型企業有雄厚的實力收集、采購國內、國外先進的技術和ZL，最快地加以消化、集成。

　　3、組建相當規模的高水平開發隊伍

　　大型企業一定理解：開發一款新型電池需要多大規模的隊伍！人少了不行。何況，鋰硫電池還具有有別于其他電池的特殊性和技術難關，要選聘真通鋰硫電池的人才！

　　4、堅持長時間的刻苦攻關

　　大型企業能夠改變目前分散性、游擊式、接力式、出文章為主的現象，能夠穩定隊伍不斷線、持續提高水平；并有實力向科技部重點科研項目“配套”經費。

　　二、鋰硫電池的發展現階段需要適合的應用場合

　　鋰硫電池的正極材料單質硫的來源豐富，價格低，體系環保，還有一個優勢是回收成本較目前的鋰離子電池低得多，所以綜合考慮非常有應用前景。

　　目前，鋰硫電池的循環穩定性還不是很理想，還難以用做電動汽車等動力供電，但其高比能量的優勢明顯，可以部分彌補循環次數少的不足。關鍵是找到對電池重量比較敏感而容積較寬敞的場合先行應用，進行針對性的開發，以便在應用中繼續提高性能，取得更快進步。同時，在性能提高的過程中不斷擴展應用場景。

　　推廣鋰硫電池的應用，也必需企業承當。

　　三、要重視發展有機硫化物正極的鋰硫電池

　　鋰硫電池以有機硫化物正極，雖然比能量不及以單質硫為正極，但是這種電池使用六氟磷酸鋰酯類電解液，價格遠低于醚類電解液；有機元素豐富，不受資源限制；沒有穿梭現象，能量轉換效率高；沒有單質硫的溶解，循環壽命長，是很值得開發的品種。

　　我們在研究正極材料硫代聚丙烯腈的儲能機制中，發現了聚丙烯腈結構中的雙鍵具有可逆儲能的作用，揭示了以硫含量計算比容量時實測值大于理論值的根源。

　　可順著這條路徑，合成含硫硫鍵的多雙鍵有機化合物，以硫的吸電子效應提高雙鍵的電位至1.8V以上（對鋰）；以多雙鍵儲能增加含硫材料的比容量，可能達1000mAh/g以上（比硫代聚丙烯腈提高30%-40%）；以比容量2000mAh/g以上的鋰硼合金為負極提高安全性和循環性，電池的比能量可能大于450Wh/kg。按此方案制成的電池，安全性將顯著高于相同比能量的三元鋰離子電池，值得重視，特別希望有機化學家介入發揮作用。

　　三點思路：企業主導，推廣應用，材料創新。

　　（本文系作者在中國超級電容產業聯盟主辦、清華大學化工系和中國科學院電工所承辦的2022年學術研討會上的發言整理）